Sedan tre veckor efter segern genomfördes grundandet av Nya Rom och den mycket större staden invigdes officiellt den 11 maj 330. Det var en handling med ett enormt historiskt förtecken. Konstantinopel skulle bli en av de stora världshuvudstäderna, en källa för kejserlig och religiös makt, en stad med enorma rikedomar och skönhet och västvärldens främsta stad. Fram till de italienska sjöfartsstaternas uppkomst var Konstantinopel den första staden i handeln, liksom huvudstaden för vad som fram till mitten av 1000-talet var den starkaste och mest prestigefyllda makten i Europa.
Konstantins val av huvudstad hade djupgående effekter på den antika grekiska och romerska världen. Det förflyttade det romerska rikets maktcentrum, flyttade det österut och åstadkom den första varaktiga föreningen av Grekland. Kulturellt sett främjade Konstantinopel en sammansmältning av orientaliska och västerländska sedvänjor, konst och arkitektur. Religionen var kristen, organisationen romersk och språket och synsättet grekiska. Begreppet kungars gudomliga rätt, härskare som var försvarare av tron – i motsats till att kungen själv skulle vara gudomlig – utvecklades där. Konstantins guldsolidus behöll sitt värde och fungerade som monetär standard i mer än tusen år. Under århundradenas gång – det kristna imperiet varade i 1 130 år – kom Konstantinopel, imperiets säte, att bli lika viktigt som imperiet självt; i slutändan, även om territorierna praktiskt taget hade krympt bort, levde huvudstaden vidare.
Konstantins nya stadsmurar tredubblade storleken på Bysans, som nu innehöll kejserliga byggnader, såsom den fullbordade hippodromen som påbörjats av Septimius Severus, ett enormt palats, lagstiftningssalar, flera imponerande kyrkor och gator dekorerade med mängder av statyer som tagits från rivaliserande städer. Förutom andra attraktioner i huvudstaden skänktes gratis bröd och medborgarskap till de nybyggare som skulle fylla de tomma områdena utanför de gamla murarna. Det fanns dessutom ett välkomnande för kristna, en tolerans mot andra trosuppfattningar och välvilja mot judar.
Konstantinopel var också ett kyrkligt centrum. År 381 blev det säte för en patriark som var näst efter biskopen i Rom; patriarken i Konstantinopel är fortfarande den ortodoxa kyrkans nominella överhuvud. Konstantin invigde de första ekumeniska koncilierna; de sex första hölls i eller i närheten av Konstantinopel. Under 500- och 600-talen var kejsarna sysselsatta med att utforma metoder för att hålla monofysiterna knutna till riket. Under 800- och 900-talen var Konstantinopel centrum för kampen mellan ikonoklasterna och ikonernas försvarare. Frågan avgjordes av det sjunde ekumeniska konciliet mot ikonoklasterna, men inte förrän mycket blod hade spillts och otaliga konstverk förstörts. Kyrkans östra och västra flyglar drogs allt längre ifrån varandra, och efter århundraden av doktrinär oenighet mellan Rom och Konstantinopel inträffade en schism på 1000-talet. Påven godkände ursprungligen plundringen av Konstantinopel 1204, men fördömde den sedan. Olika försök gjordes för att läka sprickan inför det turkiska hotet mot staden, men de splittrande krafterna i form av misstänksamhet och doktrinära skillnader var för starka.
I slutet av 400-talet hade Konstantins murar blivit alltför begränsande för den rika och folkrika metropolen. Johannes Chrysostomos, som skrev i slutet av det århundradet, sade att många adelsmän hade 10 till 20 hus och ägde 1 till 2 000 slavar. Dörrarna var ofta gjorda av elfenben, golven var av mosaik eller täckta med dyrbara mattor, och sängar och soffor var överdragna med ädelmetaller.
Befolkningstrycket inifrån och det barbariska hotet utifrån föranledde byggandet av murar längre inåt landet vid halvöns hölje. Dessa nya murar från början av 500-talet, som byggdes under Theodosius II:s regeringstid, är de som står kvar idag.
Under Justinianus I (527-565) nådde det medeltida Konstantinopel sin höjdpunkt. I början av denna regeringstid beräknas befolkningen ha varit cirka 500 000 invånare. År 532 brändes en stor del av staden och många av invånarna dödades i samband med repressionen av Nika-upproret, ett uppror av Hippodrom-fraktionerna. Återuppbyggnaden av den ödelagda staden gav Justinianus möjlighet att ägna sig åt ett program av magnifika byggnationer, av vilka många byggnader fortfarande finns kvar.
Under 542 drabbades staden av en pest som sägs ha dödat tre av fem invånare; Konstantinopels nedgång daterar sig från denna katastrof. Det var inte bara huvudstaden utan hela riket som försmäktade, och en långsam återhämtning syntes inte förrän på 800-talet. Under denna period belägrades staden ofta – av perserna och araberna (626), araberna (674-678 och återigen 717-718), bulgarerna (813 och 913), ryssarna (860, 941 och 1043) och ett vandrande turkfolk, pechenegerna (1090-91). Alla misslyckades.
1082 tilldelades venetianerna kvarter i själva staden (det fanns tidigare ett kantonement för utländska handelsmän vid Galata på andra sidan Gyllene hornet) med särskilda handelsprivilegier. De fick senare sällskap av pisaner, amalfitaner, genuaner och andra. Dessa italienska grupper fick snart ett järngrepp om stadens utrikeshandel – ett monopol som slutligen bröts genom en massaker på italienare. Det dröjde en tid innan italienska handelsmän återigen fick tillåtelse att bosätta sig i Galata.
Under 1203 dök det fjärde korstågets arméer, avledda från sitt mål i det heliga landet, upp i Konstantinopel – till synes för att återupprätta den legitima bysantinska kejsaren, Isak II. Även om staden föll förblev den under ett år under sitt eget styre. Den 13 april 1204 stormade korsfararna in i staden för att plundra den. Efter en allmän massaker fortsatte plundringen i flera år. Korsriddarna installerade en av dem, Baldwin av Flandern, som kejsare, och venetianarna – de främsta initiativtagarna till korstågen – tog kontroll över kyrkan. Medan latinerna delade upp resten av riket mellan sig, förskansade sig bysantinerna på andra sidan Bosporen i Nicaea (nu İznik) och i Epirus (nu nordvästra Grekland). Perioden med latinskt styre (1204-1261) var den mest katastrofala i Konstantinopels historia. Till och med bronsstatyer smältes ner till mynt; allt av värde togs. Heliga reliker slets ut från helgedomarna och skickades till religiösa inrättningar i Västeuropa.
1261 återtogs Konstantinopel av Mikael VIII (Palaeologus), grekisk kejsare av Nicaea. Under de följande två århundradena levde det krympta bysantinska riket, som hotades både från väst och av de ottomanska turkarnas växande makt i Mindre Asien, en osäker tillvaro. En del byggnationer genomfördes i slutet av 1200-talet och början av 1300-talet, men därefter var staden i förfall, full av ruiner och öde områden, vilket stod i kontrast till det välmående Galata på andra sidan Gyllene hornet, som den bysantinske härskaren Mikael VIII hade gett till genuanerna. När turkarna kom in i Europa i mitten av 1300-talet var Konstantinopels öde beseglat. Det oundvikliga slutet fördröjdes av turkarnas nederlag mot Timur (Tamerlane) 1402, men 1422 belägrade Turkiets ottomanska sultan Murad II Konstantinopel. Detta försök misslyckades, men upprepades 30 år senare. År 1452 fortsatte en annan ottomansk sultan, Mehmed II, att blockera Bosporen genom att uppföra en stark fästning på dess smalaste punkt. Denna fästning, kallad Rumelihisarı, utgör fortfarande ett av de viktigaste landmärkena vid sundet. Belägringen av staden inleddes i april 1453. Turkarna hade inte bara en överväldigande numerisk överlägsenhet utan också kanoner som bröt igenom de gamla murarna. Gyllene hornet skyddades av en kedja, men sultanen lyckades dra sin flotta på land från Bosporen in i Gyllene hornet. Det slutliga anfallet skedde den 29 maj, och trots invånarnas desperata motstånd med hjälp av genuanerna föll staden. Den siste bysantinske kejsaren, Konstantin XI (Palaeologus), dödades i strid. I tre dagar var staden utlämnad åt plundring och massaker, varefter ordningen återställdes av sultanen.